JP4551878B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明はディーゼルエンジンに係り、特にセラミックス焼結体からなる耐磨耗部材を有するディーゼルエンジンに関するものである。

従来、産業機器、自動車において用いられるカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーなどの磨耗部品には金属製部品が用いられていた。しかし、金属製部品を上記のような場所に用いた場合、摩擦によりこれらの部品が激しく磨耗し、所定の性能を発揮することができなくなったり、ひどい場合には破損することがあった。また、これらの金属製部品は重量が重いため、軽量化、高性能化には不向きであり、さらに耐熱性や耐食性が低いため過酷な環境下では耐用年数が短くなり、経済性が優れなかった。このため金属製部品に代わる、高性能部品が望まれていた。

これらの問題を解決するため、近年では、セラミックス焼結体を耐磨耗部品に用いるようになってきている。これらのセラミックス焼結体は金属製部品に比べて、耐磨耗性に優れているため、長期間にわたって所定の性能を維持することができ、破損なども起こらないため経済性に優れていた。また、金属製部品に比べて軽量であるため、高回転化が可能となり、これまでより高性能化することができた。

しかしながら、このようなセラミックス焼結体を機器に用いた場合、セラミックス焼結体自身は磨耗しないが、セラミックス焼結体と接する部品は逆に磨耗してしまうことがわかった。このようなことは、自動車などの燃料噴射装置に用いられる耐磨耗部品、特にカムローラなどにおいて問題となってきている。この原因としては、セラミックス焼結体の硬度が高いが、セラミックス焼結体と接する金属製部品の硬度が低いことなどが挙げられる。このような問題を解決するため、全ての部品をセラミックス焼結体にすることが考えられるが、加工の容易性や経済性に優れないため行われていない。

一方、電子産業の分野においては、高電力を扱う半導体部品の搭載用基板などにおいて、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用いられている。セラミックス焼結体は絶縁性、耐熱性、熱伝導度に優れているため、基板や放熱板などに好んで用いられている。

しかしながら、セラミックス焼結体を基板として用いた場合、金属との接合性に優れないため、剥がれや破損が起きることがあった。このため、セラミックス焼結体の組成や構造を制御することによって金属との接合性を高め、剥がれや破損などを防止することが試みられたが、依然としてこのような問題は発生し続けている。

機器などの部品として、金属製部品の代用にセラミックス焼結体を用いた場合、高硬度材であるセラミックス焼結体製部品が相手部品である金属製部品を攻撃してしまい、金属製部品を用いた場合より金属製相手部品の磨耗量が増えてしまうことがあった。特に自動車などの燃料噴射装置に用いられる耐磨耗部品においては重要な問題となってきている。

また、電子産業の分野においては、高電力を扱う半導体部品の搭載用基板などに、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が用いられている。しかしながら、セラミックス焼結体を基板として用いた場合、金属との接合性に優れないため、剥がれや破損が起きることがあった。

本発明ではこのようなことに鑑み、セラミックス焼結体からなる耐磨耗部材とこの耐磨耗部材に少なくとも一部が接するように設けられる金属製相手部品とを有するディーゼルエンジンであって、金属製相手部品の磨耗が抑制されると共に、セラミックス焼結体からなる耐磨耗部材自体の磨耗が抑制され、より耐久性に優れたディーゼルエンジンを提供することを目的としている。

本発明のディーゼルエンジンは、密度が３．３３ｇ／ｃｍ ^３ の窒化珪素セラミックス焼結体からなり、カムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、またはコロとして用いられる耐磨耗部材を有するものであって、前記耐磨耗部材は、金属製部品からなる相手部材との摺接面がスキューネス−０．１〜−１．１の研磨面であり、かつ、前記摺接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ^２）当たり１％以下、さらに平均ポアサイズが３０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、密度が３．３３ｇ／ｃｍ ^３ の窒化珪素セラミックス焼結体からなり、カムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、またはコロとして用いられる耐磨耗部材を有するディーゼルエンジンにおいて、この耐磨耗部材における金属製部品からなる相手部材との摺接面をスキューネス−０．１〜−１．１の研磨面とし、かつ、この摺接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積を単位面積（１ｍｍ^２）当たり１％以下、さらに平均ポアサイズを３０μｍ以下とすることで、金属製相手部品の磨耗が抑制されると共に、セラミックス焼結体からなる耐磨耗部材自体の磨耗も抑制され、より耐久性に優れたディーゼルエンジンを提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明のディーゼルエンジンは、窒化珪素セラミックス焼結体からなり、カムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、またはコロとして用いられる耐磨耗部材を有するものである。本発明のディーゼルエンジンにおいては、この耐磨耗部材として、金属製部品からなる相手部材との摺接面がスキューネス−０．１〜−１．１の研磨面であり、かつ、この摺接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ ^２ ）当たり１％以下、さらに平均ポアサイズが３０μｍ以下であるものを用いたことを特徴とする。

本発明に用いられるセラミックス焼結体は、原料を成形し、焼結することによって作製されるセラミックス焼結体であって、当該セラミックス焼結体における接面のスキューネスが−０．１〜−１．１とされたものである。

スキューネス（Ｓｋ）とは表面粗さのパラメータでありゆがみとも呼ばれるものである。スキューネスは振幅分布曲線の縦倍率方向の対象性を表す値で次式により与えられる値である。

すなわち、図１（ａ）に示すように、表面粗さの上下方向にほぼ均等の場合にスキューネスは零（０）となる。一方、図１（ｂ）に示すように、表面粗さの振幅が上方向に偏っている場合には、スキューネスは正（＞０）となる。このような状態は表面（接面）に凸の部分が多いことを示している。そして、図１（ｃ）に示すように表面（接面）に対して凸の部分を減少させ、表面粗さの振幅を下方向に偏らせた場合にはスキューネスは負（＜０）となる。

このようなセラミックス焼結体は、接面のスキューネスを−０．１〜−１．１とすることによって、例えば構造部材として用いた場合には、接触する相手部材の磨耗を減少させることができる。特に、相手部材が金属材料よりなる場合は、この磨耗を減少させる効果が高い。

このようなセラミックス焼結体としては、窒化珪素からなるものを用いる。材料として、窒化珪素を用いて構造部材を作製すると、耐熱性、耐久性、耐食性などに優れた部材を安価に作製することができる。

このようなセラミックス焼結体においては、接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ^２）当り１％を超えないようにする。接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積当り１％を超えると、接面が粗くなり、相手部材を磨耗させやすくなる。

従って、スキューネスを−０．１〜−１．１とし、接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積当り１％を超えないようにすることによって、例えば構造部材として用いた場合には、相手部材などの磨耗を大幅に減少させることができる。

また、このようなセラミックス焼結体の平均ポアサイズは３０μｍ以下である。平均ポアサイズを３０μｍ以下とすることで、一層、磨耗を減少させることができる。

本発明に用いられる耐磨耗部材は、上記のようなセラミックス焼結体を用いて作製されるものであって、その接面（摺接面）のスキューネスを−０．１〜−１．１としたものである。耐磨耗部材において、摺接面のスキューネスを−０．１以下としたのは、摺接面のスキューネスを−０．１より大きくすると、表面粗さ上の凸部の分布が大きくなり相手部材である金属製相手部品への攻撃性が増え、金属製相手部品を磨耗させやすくなるためである。

また、摺接面のスキューネスを−１．１以上としたのは、摺接面のスキューネスを−１．１より小さくすると、耐磨耗部材自体の強度（耐磨耗性）が低下するため、自身（耐磨耗部材）を磨耗させやすくなるためである。

従って、本発明に用いられる耐磨耗部材については、上記のようなセラミックス焼結体を用い、摺接面のスキューネスを−０．１〜−１．１とすることによって、金属製相手部品の磨耗を大幅に減少させることができると共に、耐磨耗部材自体の磨耗も抑制することができ、このようなものを用いたディーゼルエンジンをより耐久性に優れたものとすることができる。より好ましくは、耐磨耗部材の摺接面のスキューネスを−０．１〜−１の範囲にすることがよい。このようにすることで金属製相手部品ならびに耐磨耗部材自体の磨耗を一層減少させることができ、このようなものを用いたディーゼルエンジンをより耐久性に優れたものとすることができる。

このような耐磨耗部材は、材料として窒化珪素を用いて作製する。窒化珪素は耐熱性、耐食性などに優れており、耐磨耗部材の材料にこのような物質を用いることによって、金属製相手部品の磨耗を減らすと同時に耐磨耗部材自身の磨耗も大幅に減らすことができる。

耐磨耗部材は、カムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、コロとして用いられる。このようなものに上記したような耐磨耗部材を用いることで、このようなものを用いたディーゼルエンジンをより耐久性に優れたものとすることができ、耐用年数を大幅に長くすることができる。

カムローラは例えばディーゼルエンジンの燃料噴射装置などに用いられ、燃料噴射のタイミングをとるためのものである。このカムローラは円筒のカムリングの内側に高速で接しているため、カムローラを金属で作製した場合、カムローラが磨耗してしまう。また、カムローラに従来のセラミックス焼結体を用いた場合、カムローラは磨耗しなくなるが、反対にカムリングが磨耗してしまう。このため、燃料噴射のタイミングにずれが発生し、所定の性能を発揮できなくなる。上記したような耐磨耗部材によりカムローラを作製することによって、このような磨耗による性能低下を防止することができる。

ベアリングボールは球状をしており、回転軸を支えるものである。ベアリングボールは回転軸と高速で接し、かつ高い圧力がかかるため、強度や耐磨耗性が要求され、さらに相手部材を磨耗させないことも要求される。このようなベアリングボールに上記したような耐磨耗性部材を用いることにより、これらの課題を解決し、信頼性のある高性能のベアリングボールを作製することができる。

チェックボールは球状であり、気体などの流量を測るために流量計中に設けられている。このチェックボールは、流量計の内側壁面と接し、常に移動を繰り返しているため磨耗しやすく、また流量計の内側壁面も磨耗させてしまう。このような磨耗は流量計の精度を悪くし、不正確な値を与えてしまう。従って、上記したような耐磨耗部材を用いてチェックボールを作製することにより、このような磨耗を防ぎ、流量計の精度を一定にすることができる。

ウエアパッドは、例えば自動車エンジンのロッカーアームと摺動する部品であり、上記したような耐磨耗部材をウエアパッドに用いることにより、耐磨耗性を向上させ、安定した燃焼を実現し、不完全燃焼を低減させることができる。

プランジャーはディーゼルエンジンの燃料噴射装置などに用いられ、カムローラの動きを伝達するものであり、ローターの内部に接し、高速で往復運動するものである。従って、プランジャーは非常に磨耗しやすく、ローターも磨耗させてしまう。このようなプランジャーに上記したような耐磨耗部材を用いることにより、このような磨耗を防ぎ、正確に燃料噴射を行うことができる。

本発明のディーゼルエンジンは、上記したようなカムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャーまたはコロとして用いられる耐磨耗部材を有するものである。

本発明では、ディーゼルエンジンにおける金属製相手部品に接して用いられる耐磨耗部材として、摺接面がスキューネス−０．１〜−１．１の研磨面であり、かつ、前記摺接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ ^２ ）当たり１％以下、さらに平均ポアサイズが３０μｍ以下であるものを用いることによって、金属製相手部品の磨耗を抑制できると共に、耐磨耗部材自体の磨耗も抑制でき、より耐久性に優れたディーゼルエンジンとすることができる。

本発明に用いられるセラミックス焼結体は、例えば次のようにして作製される。

原料粉末として例えば窒化珪素粉末などを用い、これに焼結助剤としてイットリアなどを添加し、所定の組成となるように調合する。これをイソプロピルアルコール中などで窒化珪素ボールを用いて２４時間混合後、バインダを添加し冷間静水圧成形（ＣＩＰ）などを用いて１ｔｏｎの圧力で成形する。得られた成形体を５００℃で４時間脱脂した後、１８００℃で４時間焼成する。このような成形・焼成方法としては、公知の方法を適用することができる。

さらに、少なくとも接面（摺接面）となる表面をダイヤモンド砥石等で研削し、さらにこの接面（摺接面）をバレル研磨またはラップ加工することによって表面粗さ上の凸部を除去してセラミックス焼結体の接面のスキューネスを−０．１以下にすることができる。

また、表面の表面変質層を上記研削加工等によって除去することによって、接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ^２）当たり１％を越えないようなセラミックス焼結を作製することができる。

本発明に用いられる耐磨耗部材はこのようなセラミックス焼結体を所定の形状に加工する前または後に上記研削加工を施してスキューネスを−０．１〜−１．１とすることによって作製することができる。

次に、本発明について実施例および参考例を挙げて具体的に説明する。

（実施例１）
原料粉末として窒化珪素、イットリア、アルミナを用い、これらを造粒して１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でラバープレス成形し、φ１２．５×２６ｍｍの円柱体を成形し、これを脱脂後Ｎ_２雰囲気中で１８００℃、４時間焼結を行い、密度３．３３ｇ／ｃｃのＳｉ_３Ｎ_４円柱焼結体を得た。これにダイヤモンド加工を施し、φ９．５２５±０．００１×２０．１５±０．００１ｍｍのカムローラを作製した。

さらに、アルミナメディアを使用して湿式遠心バレル加工することにより、異なる４種のＳｋ値を持つカムローラＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを作製した。なお、カムローラＡは、Ｓｋ値が本発明の範囲外となるものであり、本発明の実施例に対する比較例となるものである。このような異なるＳｋ値をもつセラミックス焼結体の磨耗量を検討するために、ディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプに搭載し総磨耗量を測定した。評価はＲＡＩＬ ＰＲＥＳＳＵＲＥ １０００ＢＡＲ、２０００ＥＲＰＭで４００時間試験を行った。また、比較のためにスチール製のカムローラＥを作製し、同様の試験を行った。試験の結果を表１に示す。

表１に示すようにＳｋの値が０以下であるＡ、Ｂ、Ｃのうち、Ｂ、Ｃでは、磨耗量が大幅に減少した。Ｓｋの値が０を大きく下回るＡは、磨耗量が逆に増える結果となった。Ｓｋの値が０より大きいＤでは磨耗量が５．５ｍｍ^３／Ｎ・ｍｍとなり、従来のスチールカムローラＥより磨耗量が高くなっていた。

（実施例２）
ローラの転がり寿命特性に影響を及ぼす接面ならびに接面近傍の許容ポアサイズ分布の許容範囲を検討するため、表２に記載されるような６種類のローラを作製し、これらのローラのインジェクションポンプローラとしての適用性を評価した。

ローラとしては、粉末を一軸加圧成形することにより、φ１２．５×２６．０ｍｍの円柱体としたものを用いた。接面のスキューネスは−１とし、ポアの占有面積は一軸加圧成形の圧力を変化させることにより表２のような値にした。

このようにして得られた６種類のローラを用いて、ＥＲＰＭ、ＲＡＩＬ ＰＲＥＳＳＵＲＥを変化させて耐久性試験を行った。耐久性試験の結果を図２に示す。

平均ポアサイズが等しいＣ、Ｄ、Ｅでは、ポアの占有面積が最も低い、Ｃの耐久性が最も高い結果となった。また、ＤとＥでは、一部の例外を除いて、占有面積の低いＤの耐久性がＥより高くなった。

ポアの占有面積が０．８％と等しい、Ｂ、Ｄ、Ｆでは、平均ポアサイズの小さいＢの耐久性が最も高く、次いでＤ、Ｆの順となった。平均ポアサイズの大きいＦは所定の耐久性を有せず、破損してしまった。

ポアの占有面積が１％であっても、平均ポアサイズが小さいＡは、非常に高い耐久性を持つ結果となった。

（実施例３）
実施例２で用いたＡ及びＣの部材を用い、表３に示すようにスキューネス値を変化させた場合の磨耗量を測定した。なお、磨耗量の測定条件は実施例２と同様のものとした。

表３に示されるように、平均ポアサイズおよびポア占有面積が同一であってもスキューネスが異なることによって磨耗量に大きな違いがでることが分かった。

（参考例）
基板接面のスキューネスが接合力に及ぼす影響を調べるために、異なるスキューネスをもつＡｌＮ基板に、直接接合法（ＤＢＣ法）を用いて銅板を接合し、ピール強度を測定した。表４に示すように参考例１〜３としてそれぞれスキューネスが０、−１、または＋０．５のＡｌＮ基板を用いた。ＡｌＮ基板は縦５０ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ、銅板は厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ銅を用いて、温度１０７５℃に設定した加熱炉中に１分間保持することによって、ＡｌＮ基板と銅板とを接合した。

表４に示されるように、スキューネスを０または−１とした参考例１、２は、スキューネスを＋０．５とした参考例３と比べて、銅板との接合強度が高いことが分かる。特にスキューネスを−１としたものは、接合強度が大幅に向上することが分かる。

スキューネスを説明するための図である。 耐磨耗部材の耐久性試験の結果を示す図である。

Claims (1)

1. 密度が３．３３ｇ／ｃｍ ^３ の窒化珪素セラミックス焼結体からなり、カムローラ、ベアリングボール、チェックボール、ウエアパッド、プランジャー、またはコロとして用いられる耐磨耗部材を有するディーゼルエンジンであって、
   前記耐磨耗部材は、金属製部品からなる相手部材との摺接面がスキューネス−０．１〜−１．１の研磨面であり、かつ、前記摺接面から５００μｍの深さまでにポアが占める面積が単位面積（１ｍｍ^２）当たり１％以下、さらに平均ポアサイズが３０μｍ以下であることを特徴とするディーゼルエンジン。

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